校园内无线通信场强特性研究教材文档格式.docx
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2.1大尺度路径损耗
在移动通信系统中,路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。
大尺度平均路径损耗:
用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落,即定义为有效发射功率和平均接收功率之间的差值,根据理论和测试的传播模型,无论室内或室外信道,平均接收信号功率随距离对数衰减,这种模型已被广泛地使用.对任意的传播距离,大尺度平均路径损耗表示为:
即平均接收功率为:
其中,n为路径损耗指数,表明路径损耗随距离增长的速度;
为近地参考距离;
d为发射机与接收机(T-R)之间的距离。
以上两公式中的横杠表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。
坐标为对数-对数时,平均路径损耗或平均接收功率可表示为斜率10ndB/10倍程的直线。
n值依赖于特定的传播环境。
例如在自由空间,n为2,当有阻挡物时,n比2大。
决定路径损耗大小的首要因素是距离,此外,它还与接收点的电波传播条件密切相关。
为此,我们引进路径损耗中值的概念。
中值是使实测数据中一半大于它而另一半小于它的一个数值(对于状态分布中值就是均值)。
人们根据不同的地形地貌条件,归纳总结出各种电波传播模型。
下面介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。
常用的电波传播模型如下:
2.1.1自由空间模型
自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。
我们所说的自由空间一是指真空,二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体,电波是以直射线的方式到达移动台的。
自由空间模型计算路径损耗的公式是:
其中Lp是以dB为单位的路径损耗,d是以公里为单位的移动台与基站之间的距离,f是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。
空气的特性可近似为真空,因此当发射天线与移动台距离地面都较高时,可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。
2.1.2布灵顿模型
布灵顿模型假设发射天线和移动台之间的地面是理想平面大地,并且两者之间的距离d远大于发射天线的高度ht,或移动台的高度hr,此时的路径损耗计算公式为:
其中距离d的单位是公里,天线高度ht及hr的单位是米,路径损耗Lp的单位是dB。
2.1.3EgLi模型
前述的自由空间模型及布灵顿模型都是基于理论分析得出的计算公式。
EgLi公式则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测公式,属于经验模型,其计算式为:
其中路径损耗Lp的单位是dB,距离d的单位是公里,天线高度ht及hr的单位是米,工作频率f的单位是MHz,地形修正因子G的单位是dB。
G反应了地形因素对路径损耗的影响。
EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度Δh有关,地形起伏越大,则路径损耗也越大。
当Δh用米来测量时,可按下式近似的估计地形的影响:
若将移动台的经典高度值hr=1.5m代入EgLi模型则有:
2.1.4Hata-Okumura模型
Hata-Okumura模型也是根据实测数据建立的模型。
当移动台的高度为典型值hr=1.5m时,按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为:
市区内的Hata模型为:
简化后为:
2.2阴影衰落
在无线信道里,造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物体对电波的遮挡。
在测量过程中,不同位置遇到的建筑物遮挡情况不同,因此接收功率也不同,这样就会观察到衰落现象。
由于这种原因造成的衰落也叫“阴影效应”或“阴影衰落”。
在阴影衰落的情况下,移动台被建筑物所遮挡,它收到的信号是各种绕射反射,散射波的合成。
所以,在距基站距离相同的地方,由于阴影效应的不同,它们收到的信号功率有可能相差很大,理论和测试表明,对任意的d值,特定位置的接受功率为随机对数正态分布即:
其中,
为0均值的高斯分布随机变量,单位dB,标准偏差
,单位dB。
对数正态分布描述了在传播路径上,具有相同T-R距离时,不同的随机阴影效应。
这样利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。
正态分布,也叫高斯分布,概率密度函数为:
应用于阴影衰落时,上式中的
表示某一次测量得到的接收功率,
表示以dB表示的接收功率的均值或中值,表示接收功率的标准差,单位是dB。
阴影衰落的标准差同地形,建筑物类型,建筑物密度等有关,在市区的150MHz频段其典型值是5dB。
除了阴影效应外,大气变化也会导致阴影衰落。
比如一天中的白天,夜晚,一年中的春夏秋冬,天晴时,下雨时,即使在同一个地点上,也会观察到路径损耗的变化。
但在测量的无线信道中,大气变化造成的影响要比阴影效应小的多。
下面表1是阴影衰落分布的标准差,其中
(dB)是阴影效应的标准差。
(dB)
频率(MHz)
准平坦地形
不规则地形
(米)
城市
郊区
50
150
300
3.5~5.5
4~7
9
11
13
450
6
7.5
15
18
900
6.5
8
14
21
表格1影衰落分布的标准差(dB)
2.3建筑物的穿透损耗的定义
建筑物穿透损耗的大小对于研究室内无线信道具有重要意义。
穿透损耗又称大楼效应,一般指建筑物一楼内的中值电场强度和室外附近街道上中值电场强度dB之差。
发射机位于室外,接收机位于室内,电波从室外进入到室内,产生建筑物的穿透损耗,由于建筑物存在屏蔽和吸收作用,室内场强一定小于室外的场强,造成传输损耗。
室外至室内建筑物的穿透损耗定义为:
室外测量的信号平均场强减去同一位置室内测量的信号平均场强。
用公式表示为:
是穿透损耗,单位是dB;
是在室内所测的每一点的功率,单位是
,共
个点;
是在室外所测的每一点的功率,单位是
个点。
3实验内容
利用DS1131场强仪,实地测量信号场强。
1)研究具体现实环境下阴影衰落分布规律,以及具体的分布参数如何。
2)研究在校园内电波传播规律与现有模型的吻合程度,测试值与模型预测值的预测误差如何。
3)研究建筑物穿透损耗的变化规律。
4实验步骤
4.1地点选择
我们的研究重心是学校内建筑的穿透损耗,对室内室外均要进行一定数量的测试,并要求每个楼层的结构基本相同。
我们选择了做砖石结构建筑的穿透损耗的分析。
上网XX了一下以往的报告,发现并没有对食堂的测量研究。
考虑到学校里有两个食堂,并且一个是砖石结构,另一个是钢筋混凝土结构,便于另一组同学商议好,各择其一进行测量,方便进行对比。
所以,我们选择了新科研楼作为测试点,室外对东南西北四面均进行了测量。
4.2频道选择
我们需要每隔半个波长测一个数据。
调频立体声广播64.25Mhz信号(CH2)较强且稳定,经计算其波长为4.67米,而半波长为2.34米,人的步幅大概为0.7-0.8米,所以每走三步进行一次测量刚好符合,容易把握。
所以我们选择了调频立体声广播64.25Mhz进行测量。
4.3数据采集
室外:
从新科研楼北面马路开始,往返两次共采集231个数据;
东侧101个数据;
南侧128个数据;
西侧81个数据。
方位
新科东侧
新科南侧
新科西侧
新科北侧
采集个数/个
101
128
81
231
折返次数
2
1
表格2数据采集分布表
4.4数据处理
数据处理流程如下:
表格3数据处理流程图
5实验结果与分析
5.1各区域数据
5.1.1新科研楼数据(东、南、西、北侧、汇总)
图1新科东侧数据统计
图2新科南侧数据统计
图3新科西侧数据统计
图4新科北侧数据统计
图5新科四侧汇总数据统计
从图1~5可以看出,新科研楼东侧数据波动较大,相对而言是离理想正态分布最远的一个,而另外三侧拟合效果较佳。
5.2计算建筑穿透损耗
参数
地点
新科研楼东侧
新科研楼南侧
新科研楼西侧
新科研楼北侧
新科研楼四侧汇总
均值
-64.2861
-64.3203
-63.3988
-65.1117
-64.5139
标准差
4.5601
5.4227
4.7581
4.4827
4.7998
表格4采样值均值汇总
在本次实验中,我们要计算的穿透损耗是室内外通过墙壁的穿透损耗,即砖石造成的穿透损耗。
利用新科研楼的数据可计算得穿透损耗为:
52.2919-46.768=5.5239dB。
5.3实验结论
1.室内信号的变化
(1)横向比较
在建筑物内部的同一楼层的不同区域,穿透损耗是不同的,每一层都是靠近窗口位置处接收效果好,越靠里衰减越明显。
(2)纵向比较
建筑物不同楼层的同一区域信号损耗是不同的。
一层的衰减最大,因为传输过程受到的遮挡本来就比较大在室外信号就不强,经过建筑物的吸收信号就很弱了,越往上层信号大致越来越强,因为遮挡物越来越少,少了周围的建筑物对信号的吸收。
所以老食堂二层数据的均值比一层的要大。
2.建筑物的穿透损耗
不同结构的建筑物对信号的屏蔽和吸收作用程度不同,穿透损耗也就不同,通常钢筋混凝土结构的建筑物的穿透损耗要比砖石结构的建筑物的穿透损耗大。
本次实验我们计算出了老食堂砖石的穿透损耗,仅为5.5239dB。
5.4误差分析
1、我们在下午4点开始新科研楼外的数据,测到中途5点多时,到食堂去吃饭的人流比较多,随机性较大,给场强带来了相当不稳定的变化。
2、实验中,我们尽量每三步测一个数据,但是步长不准确带来了距离上的误差。
3、记录数据时,场强仪的跳动变化比较大,只能凭感觉找平均值,故读数会有较大误差。
4、由统计产生的高斯分布需要大量数据,我们只记录了五百多个数据,但西侧数据不到100个,数目偏少,故对于高斯分布拟合程度不算高。
若增加测量的数据数量,拟合度能得到提高。
6分工安排
陈焕
申涛
分工
测量读取,Matlab编程,
数据处理,报告撰写
测量记录,数据录入,
结果分析
表格5分工安排
7心得体会
7.1陈焕部分
7.2申涛部分
8附录
8.1matlab代码
处理本次实验的数据的关键代码是使用matlab自带的函数,大部分繁琐的工作都在于调节图片的细节,此处给出老食堂室外北侧所测数据的处理过程,其他数据的处理类似。
%东南西北四侧数据绘制将'
all'
改成'
east'
title改成相应方位即可
tb=xlsread('
电磁场数据.xls'
'
);
Mmin=min(tb);
%Mininumvalueofmagnitude
Mmax=max(tb);
%maxiumvalueofmagnitu
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- 校园内 无线通信 场强 特性 研究 教材